地溝油制生物柴油及其柴油機(jī)燃燒模擬研究.pdf

1、發(fā)動(dòng)機(jī)代用燃料的開(kāi)發(fā)與利用技術(shù)是目前車輛動(dòng)力裝置節(jié)能與環(huán)保的一個(gè)主要研究方向。論文研究目的為了緩解能源危機(jī)，減少環(huán)境污染，探索從低端地溝油生產(chǎn)生物柴油的新工藝方法，系統(tǒng)地研究了從地溝油制取生物柴油的理論和試驗(yàn)方法，柴油機(jī)燃用生物柴油的燃燒模擬和試驗(yàn)研究。主要進(jìn)行了以下方面的研究工作。 1.通過(guò)對(duì)地溝油成分與結(jié)構(gòu)分析，系統(tǒng)地研究了從地溝油制備生物柴油的生產(chǎn)機(jī)理，對(duì)傳統(tǒng)的酯交換方程進(jìn)行了修正補(bǔ)充，建立了酸敗油在酸催化條件下的實(shí)際化學(xué)

2、反應(yīng)方程式，使甘油三酸酯和脂肪酸分別在同一系統(tǒng)中與醇類發(fā)生酯交換和酯化反應(yīng)。通過(guò)正交試驗(yàn)，得到了地溝油在不同油醇摩爾比、催化劑用量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度下得到不同產(chǎn)率的生物柴油，發(fā)現(xiàn)甲醇反應(yīng)最優(yōu)方案為油醇摩爾比為1：30，催化劑用量為5％，反應(yīng)時(shí)間6小時(shí)，反應(yīng)溫度65℃時(shí)，從地溝毛油制取的生物柴油最優(yōu)理論產(chǎn)率為94.31％，比試驗(yàn)最佳產(chǎn)率高2.31％；乙醇反應(yīng)最優(yōu)方案為油摩爾比為1：30，催化劑用量為1％，反應(yīng)時(shí)間為10小時(shí)，反應(yīng)溫度為7

3、8℃時(shí)，從地溝毛油制取生物柴油的最優(yōu)理論產(chǎn)率為91.35％。比試驗(yàn)最佳產(chǎn)率高3.35％。對(duì)影響生物柴油產(chǎn)率的各種因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，建立了在酸催化條件下從地溝油制取生物柴油的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。 2.基于生物柴油-柴油的燃料特性，系統(tǒng)地研究了柴油機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程的多維數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)缸內(nèi)湍流模型、噴霧液相模型、燃燒化學(xué)反應(yīng)模型等進(jìn)行了具體分析。采用RNGk-ε模型模擬缸內(nèi)湍流流動(dòng)，運(yùn)用離散液滴的碰撞、破碎模型模擬了燃油噴

4、霧的運(yùn)動(dòng)情況；采用擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理與碳煙兩步生成機(jī)理分別建立了氮氧化物和碳煙生成模型。 3.采用任意拉格朗日——?dú)W拉法(ArbitraryLagrange-Euler)，對(duì)缸內(nèi)工作過(guò)程的控制方程進(jìn)行求解，在壓力迭代過(guò)程中運(yùn)用放大壓力梯度法，在不改變其他參數(shù)的前提下，通過(guò)放大低馬赫數(shù)流動(dòng)的壓力波動(dòng)提高計(jì)算效率，對(duì)噴霧方程采用MonteCarlo法進(jìn)行計(jì)算，較好地兼顧了油滴計(jì)算量與計(jì)算精度的關(guān)系。 4.在PC機(jī)上

5、，通過(guò)重新設(shè)置變量和編寫特定程序，對(duì)S195單缸渦流式柴油機(jī)的缸內(nèi)工作過(guò)程進(jìn)行了網(wǎng)格生成、求解器計(jì)算和后處理等過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用FLUENT計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)了缸內(nèi)過(guò)程的實(shí)時(shí)模擬計(jì)算，得到了理想的計(jì)算結(jié)果，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。 5.采用二階隱含式非穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，對(duì)于柴油和生物柴油在不同摻混比例下的燃燒過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算模擬與試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)各比例下的最高壓力點(diǎn)均出現(xiàn)在上止點(diǎn)后7℃，在相同工況下，燃燒生物柴油產(chǎn)生的最高缸壓

6、比燃燒柴油要略有升高，約為3.1％；最高缸內(nèi)溫度大約升高7％。這主要是因?yàn)樵谙嗤?fù)荷下，生物柴油的燃油消耗量高，雖然生物柴油的熱值比柴油稍低，但總的放熱量比柴油大造成的。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)生物柴油的NOx排放比柴油高，碳煙排放比柴油大大降低。 6.通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)，測(cè)試了S195單缸渦流室柴油機(jī)燃用不同摻混比例柴油和生物柴油的氣缸壓力隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化關(guān)系；排氣溫度、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及CO、HC、NOx和碳煙的排放情況，試驗(yàn)結(jié)果表明：